ფონი

1800 წელს იტალიელმა ფიზიკოსმა ა.ვოლტამ ააგო ვოლტაური წყობა, რომელმაც გახსნა პრაქტიკული ბატარეების დასაწყისი და პირველად აღწერა ელექტროლიტის მნიშვნელობა ელექტროქიმიური ენერგიის შესანახ მოწყობილობებში. ელექტროლიტი შეიძლება ჩაითვალოს, როგორც ელექტრონულად საიზოლაციო და იონგამტარი ფენა თხევადი ან მყარი სახით, რომელიც ჩასმულია უარყოფით და დადებით ელექტროდებს შორის. ამჟამად, ყველაზე მოწინავე ელექტროლიტი მზადდება მყარი ლითიუმის მარილის (მაგ. LiPF6) არაწყლიან ორგანულ კარბონატულ გამხსნელში (მაგ. EC და DMC) გახსნით. უჯრედის ზოგადი ფორმისა და დიზაინის მიხედვით, ელექტროლიტი ჩვეულებრივ შეადგენს უჯრედის წონის 8%-დან 15%-მდე. რა'უფრო მეტიც, მისი აალებადი და ოპტიმალური სამუშაო ტემპერატურის დიაპაზონი -10°C-დან 60-მდე°C მნიშვნელოვნად აფერხებს ბატარეის ენერგიის სიმკვრივისა და უსაფრთხოების შემდგომ გაუმჯობესებას. აქედან გამომდინარე, ელექტროლიტების ინოვაციური ფორმულირებები განიხილება ახალი თაობის ახალი ბატარეების განვითარების მთავარ საშუალებას.

მკვლევარები ასევე მუშაობენ სხვადასხვა ელექტროლიტური სისტემების შემუშავებაზე. მაგალითად, ფტორირებული გამხსნელების გამოყენება, რომლებსაც შეუძლიათ ლითიუმის მეტალის ეფექტური ციკლის მიღწევა, ორგანული ან არაორგანული მყარი ელექტროლიტები, რომლებიც სასარგებლოა მანქანების ინდუსტრიისთვის და „მყარი მდგომარეობის ბატარეებისთვის“ (SSB). მთავარი მიზეზი ის არის, რომ თუ მყარი ელექტროლიტი ჩაანაცვლებს ორიგინალურ თხევად ელექტროლიტს და დიაფრაგმას, ბატარეის უსაფრთხოება, ერთჯერადი ენერგიის სიმკვრივე და სიცოცხლისუნარიანობა შეიძლება მნიშვნელოვნად გაუმჯობესდეს. შემდეგი, ჩვენ ძირითადად ვაჯამებთ სხვადასხვა მასალებთან მყარი ელექტროლიტების კვლევის პროგრესს.

არაორგანული მყარი ელექტროლიტები

არაორგანული მყარი ელექტროლიტები გამოყენებული იქნა კომერციული ელექტროქიმიური ენერგიის შესანახ მოწყობილობებში, როგორიცაა ზოგიერთი მაღალტემპერატურული დატენვის ბატარეები Na-S, Na-NiCl2 და პირველადი Li-I2 ბატარეები. ჯერ კიდევ 2019 წელს, Hitachi Zosen-მა (იაპონია) აჩვენა 140 mAh სიმძლავრის სრულიად მყარი ჩანთის ბატარეა, რომელიც გამოიყენებოდა კოსმოსში და გამოცდა საერთაშორისო კოსმოსურ სადგურზე (ISS). ეს ბატარეა შედგება სულფიდური ელექტროლიტისა და ბატარეის სხვა უცნობი კომპონენტებისგან, რომლებსაც შეუძლიათ მუშაობა -40-მდე°C და 100°C. 2021 წელს კომპანია წარადგენს უფრო მაღალი ტევადობის მყარი ბატარეას 1000 mAh. Hitachi Zosen ხედავს მყარი ბატარეების საჭიროებას მკაცრი გარემოსთვის, როგორიცაა სივრცე და სამრეწველო აღჭურვილობა, რომლებიც მუშაობენ ტიპიურ გარემოში. კომპანია გეგმავს ბატარეის ტევადობის გაორმაგებას 2025 წლისთვის. მაგრამ ჯერჯერობით, არ არსებობს თაროზე მყარ მდგომარეობაში მყოფი ბატარეის პროდუქტი, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას ელექტრო მანქანებში.

ორგანული ნახევრად მყარი და მყარი ელექტროლიტები

ორგანული მყარი ელექტროლიტების კატეგორიაში, საფრანგეთის Bolloré-მ წარმატებით მოახდინა გელის ტიპის PVDF-HFP ელექტროლიტის და გელის ტიპის PEO ელექტროლიტის კომერციალიზაცია. კომპანიამ ასევე წამოიწყო მანქანების გაზიარების საპილოტე პროგრამები ჩრდილოეთ ამერიკაში, ევროპასა და აზიაში ამ ბატარეის ტექნოლოგიის ელექტრომობილებზე გამოსაყენებლად, მაგრამ ეს პოლიმერული ბატარეა არასოდეს ყოფილა ფართოდ მიღებული სამგზავრო მანქანებში. ერთი ფაქტორი, რომელიც ხელს უწყობს მათ ცუდი კომერციული მიღებას, არის ის, რომ მათი გამოყენება შესაძლებელია მხოლოდ შედარებით მაღალ ტემპერატურაზე (50°C-დან 80-მდე°გ) და დაბალი ძაბვის დიაპაზონები. ეს ბატარეები ახლა გამოიყენება კომერციულ მანქანებში, მაგალითად, ზოგიერთ საქალაქო ავტობუსში. ოთახის ტემპერატურაზე (ანუ დაახლოებით 25) სუფთა მყარი პოლიმერული ელექტროლიტის ბატარეებთან მუშაობის შემთხვევები არ არის°გ).

ნახევრად მყარი კატეგორიაში შედის მაღალი ბლანტი ელექტროლიტები, როგორიცაა მარილი-გამხსნელი ნარევები, ელექტროლიტური ხსნარი, რომელსაც აქვს მარილის კონცენტრაცია სტანდარტულ 1 მოლ/ლ-ზე მაღალი, კონცენტრაციით ან გაჯერების წერტილებით 4 მოლ/ლ-მდე. კონცენტრირებული ელექტროლიტების ნარევების შეშფოთება არის ფტორირებული მარილების შედარებით მაღალი შემცველობა, რაც ასევე აჩენს კითხვებს ასეთი ელექტროლიტების ლითიუმის შემცველობასთან და გარემოზე ზემოქმედებასთან დაკავშირებით. ეს იმიტომ ხდება, რომ მომწიფებული პროდუქტის კომერციალიზაცია მოითხოვს სასიცოცხლო ციკლის ყოვლისმომცველ ანალიზს. და მომზადებული ნახევრად მყარი ელექტროლიტების ნედლეული ასევე უნდა იყოს მარტივი და ხელმისაწვდომი, რათა უფრო ადვილად იყოს ინტეგრირებული ელექტრო მანქანებში.

ჰიბრიდული ელექტროლიტები

ჰიბრიდული ელექტროლიტები, ასევე ცნობილი როგორც შერეული ელექტროლიტები, შეიძლება შეიცვალოს წყლის/ორგანული გამხსნელების ჰიბრიდული ელექტროლიტების საფუძველზე ან მყარ ელექტროლიტზე არაწყლიანი თხევადი ელექტროლიტის ხსნარის დამატებით, მყარი ელექტროლიტების დამზადებისა და მასშტაბურობისა და დაწყობის ტექნოლოგიის მოთხოვნების გათვალისწინებით. თუმცა, ასეთი ჰიბრიდული ელექტროლიტები ჯერ კიდევ კვლევის ეტაპზეა და არ არსებობს კომერციული მაგალითები.

ელექტროლიტების კომერციული განვითარების მოსაზრებები

მყარი ელექტროლიტების ყველაზე დიდი უპირატესობაა მაღალი უსაფრთხოება და ხანგრძლივი ციკლის სიცოცხლე, მაგრამ შემდეგი პუნქტები ყურადღებით უნდა იქნას გათვალისწინებული ალტერნატიული თხევადი ან მყარი ელექტროლიტების შეფასებისას:

• მყარი ელექტროლიტის წარმოების პროცესი და სისტემის დიზაინი. ლაბორატორიული დიამეტრის ბატარეები, როგორც წესი, შედგება რამდენიმე ასეული მიკრონის სისქის მყარი ელექტროლიტის ნაწილაკებისგან, რომლებიც დაფარულია ელექტროდების ერთ მხარეს. ეს პატარა მყარი უჯრედები არ წარმოადგენს დიდი უჯრედებისთვის (10-დან 100Ah-მდე) საჭირო ეფექტურობას, რადგან სიმძლავრე 10~100Ah არის მინიმალური სპეციფიკაცია, რომელიც საჭიროა მიმდინარე დენის ბატარეებისთვის.
• მყარი ელექტროლიტი ასევე ცვლის დიაფრაგმის როლს. ვინაიდან მისი წონა და სისქე PP/PE დიაფრაგმაზე მეტია, ის უნდა იყოს მორგებული წონის სიმკვრივის მისაღწევად.≥350 Wh/kgდა ენერგიის სიმკვრივე≥900Wh/L რათა თავიდან აიცილოს მისი კომერციალიზაციის შეფერხება.

ბატარეა გარკვეულწილად ყოველთვის არის უსაფრთხოების რისკი. მყარი ელექტროლიტები, თუმცა უფრო უსაფრთხოა ვიდრე სითხეები, არ არის აუცილებლად აალებადი. ზოგიერთ პოლიმერს და არაორგანულ ელექტროლიტს შეუძლია რეაგირება ჟანგბადთან ან წყალთან, წარმოქმნას სითბო და ტოქსიკური აირები, რომლებიც ასევე წარმოადგენს ხანძარსა და აფეთქებას. ერთუჯრედოვანი უჯრედების გარდა, პლასტმასმა, კორპუსმა და შეფუთვის მასალამ შეიძლება გამოიწვიოს უკონტროლო წვა. ასე რომ, საბოლოო ჯამში, საჭიროა ჰოლისტიკური, სისტემური დონის უსაფრთხოების ტესტი.